無線Ｍｅｓｈ網絡在企業中的研究與應用

[摘要] 無線網絡技術的發展日新月異，而現有的傳統無線區域網絡在企業中進行大規模應用時常常因為線纜的限制而不能靈活地進行擴展。如今，一種新型的無線Mesh網絡出現了。本文根據無線Mesh網絡的節點功能對組網結構進行分析，并討論基于企業網絡的組網擴展技術。最后介紹無線Mesh 網絡在企業中的應用及優勢。

[關鍵詞] 無線Mesh 網絡 組網結構 企業

一、概述

無線Mesh網絡（無線網狀網絡）也稱為“多跳（multi-hop）”網絡，它是一種與傳統無線網絡完全不同的新型無線網絡技術。

在無線通信中，傳統的做法通常是在接入用戶的“最后一公里”的接入網部分采用各種無線接入技術，使得網絡提供方能迅速將網絡覆蓋至用戶需求的熱點地區，用戶也可以擺脫接入線纜的限制而隨意接入通信網絡。盡管各種無線網絡技術在傳輸速率上遠遠比不上同期的有線傳輸技術，但卻為通信網絡的發展提供良好的技術支持。

但是，隨著網絡覆蓋區域的擴大，各類無線接入點的有線連接要求使其在某些缺乏有線基礎架構的環境中遇到諸多挑戰和不便。而新的無線網絡技術——無線網狀網（Wireless Mesh Network，WMN）因其具有寬帶無線匯聚連接功能、有效的路由及故障發現特性、無需有線網絡資源等獨特的優勢，正受到越來越多的關注。

二、WMN的網絡結構

傳統的無線接入技術中，主要采用點到點或者點到多點的拓撲結構。這種拓撲結構一般都存在一個中心節點，例如移動通信系統中的基站、802.11 WLAN 中的 AP 等。中心節點一方面與各個無線終端通過單跳無線鏈路相連，控制各無線終端對無線網絡的訪問；另一方面，中心節點又通過有線鏈路與有線骨干網相連，提供到骨干網的連接。

而在無線 Mesh 網絡中，采用網狀 Mesh拓撲結構，也可以說是一種多點到多點的網絡拓撲結構。在這種Mesh 網絡結構中，各網絡節點通過相鄰的其他網絡節點以無線多跳方式相連。這種結構的最大好處在于：如果最近的AP由于流量過大而導致擁塞的話，那么數據可以自動重新路由到一個通信流量較小的鄰近節點進行傳輸。依此類推，數據包還可以根據網絡的情況，繼續路由到與之最近的下一個節點進行傳輸，直到到達最終目的地為止。這樣的訪問方式就是多跳訪問。

與傳統的交換式網絡相比，無線Mesh網絡去掉了節點之間的布線需求，但仍具有分布式網絡所提供的冗余機制和重新路由功能。在無線Mesh網絡里，如果要添加新的設備，只需要簡單地接上電源就可以了，它可以自動進行自我配置，并確定最佳的多跳傳輸路徑。添加或移動設備時，網絡能夠自動發現拓撲變化，并自動調整通信路由，以獲取最有效的傳輸路徑。

三、WMN在企業中的組網擴展技術

下面我們將主要討論基于企業網絡的擴展技術即無線局域網（WLAN）中的網絡擴展技術。

IEEE在1997年制定了一個WLAN標準，即802.11協議，該標準主要用于解決辦公室局域網中用戶終端之間的無線接入，主要工作在ISO 協議的最低兩層（PHY層和MAC 層）。最初 802.11 業務主要限于數據存取，速率最高只能達到 2 Mbit/s，但隨后提出的 802.11b 和 802.11 a/g峰值速率可以分別達到 11 Mbit/s 和 54 Mbit/s，而研究中802.11n的速率可以達到100Mbit/s。有這樣的速率保證，對于企業辦公和社區網絡，就可以摒棄傳統的線纜連接，增加組網靈活性，同時減少敷設和維護網絡的開銷。

然而，傳統的802.11 Ad hoc模式的MAC層協議的固有屬性并不支持網狀連接，使得網絡性能很差。為此，IEEE成立802.11s子工作組，制定標準化的擴展服務集（ESS），即802.11s專門為無線Mesh網絡定義MAC層協議以及基于該MAC層的網絡和其他協議。

在傳統的802.11中有兩種基本結構：基礎設施的網絡結構和終端設備的網絡結構。802.11 s工作組為支持這兩種結構制定了新的規范。圖1所示的樹形多跳WLAN網狀網是基礎設施的網絡結構的擴展。

圖1 802.11s草案的樹形多跳WLAN網狀網拓撲

該網絡主要由3種節點構成：Mesh節點（MP）、Mesh接入點（MAP）、傳統WLAN站點。其中，MP又分為一般MP和根MP。根MP是傳統AP的擴展，它的一端通過有線或無線方式接入到因特網，而另一端則以生成樹的形式向下延伸。一個生成樹有且僅有一個根MP，它掌握整個網絡的情況，如網絡拓撲圖、鏈路負載等，其作用相當于一個中心控制設備。由于受功率限制，根MP只能與它單跳范圍內的子節點通信。同理，這棵生成樹的其他一般MP也只能與它單跳范圍內的子節點和父節點進行通信。因此，如果網絡中不在單跳范圍之內的節點想要進行通信時，就必須要使用草案中提出的路由協議，如RM-AODV、RM-OLSR等。為了保持與傳統WLAN站點的兼容性，MAP扮演了多種角色：對于在它傳輸范圍之內的傳統802.11站點，它可以看成一個AP；而對于其他MP來說，它又可以看成是普通的MP。

對于終端設備的網絡結構，802.11s草案定義了一種如圖2 所示的Ad hoc方式多跳WLAN網狀網來作為其擴展。該網絡仍然由MP、MAP和傳統WLAN站點組成。MP和MAP的功能同傳統移動Ad hoc網絡中的移動節點非常類似，既可以發送本節點所產生的數據包，也可以轉發來自其他節點的數據包。另外，該網絡每個MP和MAP都是平等的，網絡中沒有中心控制節點，這是與樹形網狀網的最大不同。節點之間形成無線P2P的網絡，不需任何網絡基礎設施來支持。

圖2 802.11s草案的Ad hoc方式多跳WLAN網狀網絡拓撲

四、Mesh網絡在企業中的應用及相關優勢

目前，企業中的無線通信系統大都采用傳統的蜂窩電話式無線鏈路，為用戶提供點到點和點到多點傳輸。無線Mesh網絡則不同，它允許網絡用戶共享帶寬，消除了目前單跳網絡的瓶頸，并且能夠實現網絡負載的動態平衡。在無線Mesh網絡中增加或調整AP也比有線AP更容易、配置更靈活、安裝和使用成本更低。尤其是對于那些需要經常移動接入點的企業，無線Mesh技術的多跳結構和配置靈活將非常有利于網絡拓樸結構的調整和升級。

而與傳統的WLAN相比，無線Mesh網絡具有幾個無可比擬的優勢:

1.快速部署和易于安裝。安裝Mesh節點非常簡單，將設備從包裝盒里取出來，接上電源就行了。對于那些需要快速部署或臨時安裝的地方，如展覽會、交易會、災難救援等，Mesh網絡無疑是最經濟有效的組網方法。

2.非視距傳輸(NLOS)。利用無線Mesh技術可以很容易實現NLOS配置，因此在室外和公共場所有著廣泛的應用前景。與發射臺有直接視距的用戶先接收無線信號，然后再將接收到的信號轉發給非直接視距的用戶。按照這種方式，信號能夠自動選擇最佳路徑不斷從一個用戶跳轉到另一個用戶，并最終到達無直接視距的目標用戶。

3.健壯性。Mesh網絡比單跳網絡更加健壯，因為它不依賴于某一個單一節點的性能。在單跳網絡中，如果某一個節點出現故障，整個網絡也就隨之癱瘓。而在Mesh網絡結構中，由于每個節點都有一條或幾條傳送數據的路徑。如果最近的節點出現故障或者受到干擾，數據包將自動路由到備用路徑繼續進行傳輸，整個網絡的運行不會受到影響。

此外，因為每個短跳的傳輸距離短，傳輸數據所需要的功率也較小。既然多跳網絡通常使用較低功率將數據傳輸到鄰近的節點，節點之間的無線信號干擾也較小，網絡的信道質量和信道利用效率大大提高，因而能夠實現更高的網絡容量。

五、結束語

WMN 這一新興網絡在無線寬帶接入中有著廣闊的應用空間。同時，它也在無線網狀網絡應用中，面臨3個方面的挑戰：一是網狀組網的關鍵技術；二是克服節點快速移動所帶來的網絡性能的惡化；三是進行大規模應用所必需的標準化技術。目前國內外相關技術研究工作相當廣泛，已有產品問世，但還缺乏這3個方面的有機結合。但是，WMN相關技術還遠遠沒有成熟，因此需要加緊對其核心技術的研究。

參考文獻：

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